Redefinición de la escala de intensidad Mercalli Modificada para

UNIVERSIDAD DE COSTA RICA
FACULTAD DE INGENIERÍA
INSTITUTO DE INVESTIGACIONES EN INGENIERÍA
LABORATORIO DE INGENIERÍA SÍSMICA
Proyecto de investigación: Redefinición
de la escala de intensidad Mercalli
Modificada para Costa Rica, No. 731-A5093
Informe final
Por: Ing. Víctor Schmidt Díaz, investigador principal
15 de Diciembre del 2006
Informe administrativo
Título: Redefinición de la escala de intensidad Mercalli Modificada (MM) para
Costa Rica, No. 731-A5-093
Vigencia: el proyecto se llevó a cabo en dos etapas:
-
Del 01 de enero del 2005 al 31 de diciembre del 2005
Del 01 de enero del 2006 al 15 de diciembre del 2006
Investigadores:
Víctor Schmidt Dáiz, investigador principal, jornada 1/8 TC.
Cesar Aarón Moya Fernández, investigador asociado, jornada 1/8 TC
Asistente de investigación: Luis Retana Vargas, colaborador
Contenido presupuestario:
Partidas asignadas durante el 2005:
- Repuestos y accesorios:
- Útiles y materiales de oficina
- Útiles y materiales de computación
¢ 35 000
¢ 30 000
¢ 80 000
Partidas asignadas durante el 2006:
- Herramientas, instrumentos y otros
- Útiles y materiales de oficina
¢ 50 000
¢ 10 000
Con estos montos se han adquirido: tintas para impresora, materiales para
presentar los informes, UPS y baterías para los acelerógrafos.
Otros montos como: papelería, fotocopiado y encuadernación fueron
cubiertos con fondos propios del LIS o bien, con presupuesto ordinario del
Instituto.
Los objetivos planteados se cumplieron totalmente, aunque el proyecto abre
posibilidades para el desarrollo de investigaciones afines, como: curvas de
fragilidad para sistemas estructurales en Costa Rica, generación de mapa de
daños y pérdidas económicas a partir de estimaciones de las intensidades,
correlación de la intensidad con otros parámetros obtenidos a partir de los
acelerogramas, entre otros.
2
Informe científico
Índice
1. Resumen......................................................................... 4
2. Introducción..................................................................... 4
3. Justificación..................................................................... 5
4. Resultados preliminares.................................................. 6
4.1 Tipos de sensores considerados en las escalas de
intensidad y clasificación de estructuras para Costa Rica. 6
4.2 Definición de niveles de daño y revisión del archivo
fotográfico .......................................................................... 8
4.3 Readecuación de la escala MM a partir de datos
locales.............................................................................. 11
4.4 Replanteo de los mapas de intensidad...................... 14
4.5 Correlaciones sugeridas ............................................ 17
5. Conclusiones preliminares ............................................. 20
6. Referencias bibliográficas .............................................. 20
3
Título de la investigación: Redefinición de la escala de intensidad Mercalli
Modificada (MM) para Costa Rica.1
Investigador principal: Ing. Víctor Schmidt Díaz2, Aarón Moya Fernández, Asociado2
Asistente de Investigación: Luis Retana Vargas2
Resumen
Debido a que en medios periodísticos y de investigación, las escalas de intensidad
sísmica son todavía muy utilizadas para la determinación preliminar de la forma en que
los sismos sacuden una región y tomado en cuenta que la descripción de la escala de
intensidad utilizada en Costa Rica, es bastante escueta respecto a la identificación de
daños en sistemas estructurales, se plantea la necesidad de llevar a cabo una revisión
detallada de los distintos grados que forman dicha escala, de acuerdo con las
observaciones que se han hecho sobre los efectos que han producido los sismos en el
pasado.
Este documento presenta resultados acerca de las correlaciones que se pueden
obtener entre la escala de intensidad Mercalli Modificada, con dos parámetros distintos:
1- Los niveles de daño observados en estructuras luego de la ocurrencia de sismos
fuertes.
2- La aceleración pico del suelo (PGA) medida durante la ocurrencia de estos
sismos.
Lo anterior permitirá entre otras cosas, la identificación de zonas de mayor
vulnerabilidad sísmica en el país para el planteamiento de criterios que permitan destinar
recursos que se orienten al mejoramiento de las condiciones en esas zonas para
enfrentar sismos en el futuro.
Descriptores: intensidad sísmica, sismos fuertes, daños en estructuras,
aceleración del suelo.
Introducción
La intensidad de un sismo es la medida de la forma en que las ondas sísmicas son
sentidas y de cómo se asocian a los efectos que estas producen en una determinada
localidad, ya sea en estructuras o en la naturaleza; por lo tanto una medida de la fuerza
de un sismo.
Existen varias escalas para determinar la intensidad de un evento sísmico. La más
utilizada es la Mercalli Modificada, donde cada grado de intensidad (de I a XII) aporta una
descripción de la forma en que el sismo es sentido por las personas, los efectos y los
daños observados, o sea, de alguna forma indica la fuerza de un sismo en un sitio
determinado. También existe la Escala de Intensidad Macrosísmica Europea (EMS) la
cual utiliza también doce grados de intensidad. Otras escalas importantes utilizadas
alrededor del mundo son: la Medredev-Sponheuer-Karnik (MSK), la de la Agencia
Meteorológica de Japón (JMA), la Rossi-Forel (RF). Algunas de ellas cuantifican los
daños, las cantidades y las vulnerabilidades de las diferentes estructuras.
1
No. Vicerrectoría de Investigación: 731-A5-093
2
Laboratorio de Ingeniería Sísmica, Instituto de Investigaciones en Ingeniería
4
Basándose en su definición, la intensidad para un sismo dado suele ser máxima
en las zonas cercanas al epicentro y disminuye con la distancia. Sin embargo, debe
aclararse que la intensidad es un parámetro subjetivo y no medido: depende de la
percepción de las personas para definir los niveles bajos de la escala, y de los efectos
observados en la naturaleza y en las edificaciones para definir los niveles medios y altos.
Aún cuando no correspondan a un mismo concepto, varios investigadores en otros
países han intentado correlacionar las intensidades estimada en sitios determinados con
las aceleraciones máximas del terreno (PGA) medidas en esos sitios, ya que el PGA es
un parámetro que también se atenúan con la distancia, lo que ha permitido obtener
resultados interesantes pero no exactos; más bien se han obtenido rangos de aceleración
posibles asociados a un valor de intensidad específico. Por lo tanto, estas correlaciones
han permitido establecer una aproximación más racional acerca de la fuerza de los
sismos, por lo que se espera obtener correlaciones entre estos parámetros a través de
esta investigación.
Por otro lado, la aplicación de las escalas de intensidad en Costa Rica
normalmente ha sido realizada sin tomar en cuenta aspectos constructivos y de diseño
propios del país, así como consideraciones subjetivas de percepción y apreciación que
pueden diferir de una persona a otra. Basándose en esto, a través del proyecto se
pretende revisar las descripciones de las escalas, enfocándose principalmente en daños
estructurales y no estructurales de edificios, y así formular un procedimiento que permita
la asignación de la intensidad de la escala MM a partir de la observación de daños, tanto
en estructurales como efectos geotécnicos, aplicados al contexto nacional.
Como parte de las investigaciones efectuadas a partir de los datos de algunos de
los sismos fuertes que han afectado Costa Rica recientemente, el LIS ha recopilado una
gran cantidad de información relacionada con los efectos en las estructuras,
especialmente luego de los terremotos de Cóbano, Alajuela y Limón (Santana et al. 1990;
Santana et al., 1991 y Ramírez y Brenes, 1994). Parte de la información corresponde a
un banco de imágenes que incluye unas 250 fotografías y 1550 de diapositivias, que
muestran los daños en puentes, carreteras, edificios y otras estructuras, producidos por
los terremotos de 1990 y 1991.
Desde la década de 1980, la Red Sismológica Nacional (RSN: ICE–UCR) y el
OVSICORI–UNA, han realizado investigaciones relacionadas con la distribución de
intensidades en Costa Rica, tanto de sismos históricos, como de sismos ocurridos durante
las últimas dos décadas (Montero y Miyamura, 1981; Boschini, 1989; Montero et al. 1993;
Montero, 1999, entre muchos otros). No obstante, hasta el momento no hay ninguna
publicación que muestre una relación entre la intensidad reportada y la aceleración
registrada para Costa Rica, ni tampoco una investigación que describa en forma
minuciosa una escala intensidad adaptada a las condiciones existentes en el país.
Justificación
Costa Rica está ubicada en una zona de alta sismicidad. El país forma parte de la
placa Caribe y la microplaca de Panamá, las cuales interactúan con las placas del Coco y
Nazca. Estas cuatro placas se unen en territorio costarricense y sus movimientos son los
responsables de la gran cantidad de terremotos que afectan al país.
A lo largo de la historia desde la época de la independencia, Costa Rica ha sufrido
los efectos de unos 40 terremotos, catorce de los cuales han cobrado la vida de alrededor
de 750 personas. La mayor tragedia relacionada con un evento sísmico ocurrió el 4 de
mayo de 1910, cuando un terremoto de 6,1 (Ms) destruyó totalmente la ciudad de Cartago
dejando un saldo de 500 muertos.
5
Inevitablemente, los sismos destructivos volverán a ocurrir en el futuro y por esta
razón, deben desarrollarse investigaciones tendientes a mitigar los efectos destructivos
provocados por los sismos fuertes.
Hasta el momento, el LIS ha trabajado muy poco en la determinación del grado de
intensidad provocado por un evento específico. A raíz de la ocurrencia de los sismos de
Bijagua y Burica en el 2002, y de las dificultades presentadas al asignar un grado de
intensidad en ciertas localidades, el personal del LIS comenzó a cuestionarse acerca de la
versatilidad de la escala de Intensidad Mercalli Modificada (MM) tomando en cuenta las
características de los sistemas constructivos en Costa Rica y el efecto en la población.
Es por esto que se ha visto la necesidad de adaptar la escala Mercalli Modificada
(usada tradicionalmente en Costa Rica) a las condiciones de los sistemas constructivos
existentes en el país. De esta forma, será más sencillo asignar un determinado grado de
intensidad, tomando en cuenta descripciones minuciosas de los efectos en diversas
estructuras.
Por otra parte, el establecer una correlación entre la aceleración registrada en el
LIS y la intensidad reportada, permitirá entre otras cosas, categorizar cada grado de
intensidad en forma cuantitativa, lo cual será muy útil para plantear interpretaciones
relacionadas con efectos de sitio, amenaza sísmica y sismicidad histórica en general.
Con base en lo anterior, se definen los siguiente objetivos:
-
-
Redefinir en forma preliminar la escala de intensidad Mercalli Modificada (MM) con
base en los daños observados en las estructuras de distintos sistemas
constructivos utilizados en Costa Rica y el valor de aceleración registrado por la
red de acelerógrafos del Laboratorio de Ingeniería Sísmica (LIS) durante el
período 1983–2003.
Establecer correlaciones entre la intensidad sísmica (parámetro subjetivo) y la
aceleración del terreno (parámetro medido), ya que en términos generales, ambos
son máximos en la zona epicentral y disminuyen con la distancia.
Resultados preliminares
4.1 Tipos de sensores considerados en las escalas de intensidad y clasificación de
estructuras para Costa Rica
Cualquier escala de intensidad consiste en una serie de descripciones de
diferentes efectos que tienen los sismos en un número de objetos que pueden ser
encontrados en el entorno diario. Tales parámetros se consideran como “sensores”, ya
que su respuesta ante un sismo es utilizada para medir la fuerza del mismo. Estos
sensores suelen ser muy comunes, lo que implica una ventaja al utilizarlos como
herramientas para la definición de la intensidad, ya que no requiere de instrumentación
para ser medidos. Los sensores han sido clasificados tradicionalmente en cuatro grupos:
•
•
•
Seres Vivos- personas y animales. Conforme la intensidad aumenta, una
mayor proporción de gente o animales sienten el sismo y/o se asustan por él.
Objetos ordinarios - conforme la intensidad aumenta, mayor cantidad de
objetos domésticos (libros, ollas, etc.) se sacuden y luego vuelcan o caen.
Edificaciones – conforme aumenta la intensidad, las edificaciones se van
dañando progresivamente.
6
•
Geología y entorno – conforme aumenta la intensidad existen mayores
cambios en el entorno y aparecen mayores grietas en el suelo, o
deslizamientos.
En esta investigación solamente interesa revisar los sensores definidos como
edificaciones, debido a que no son tomados en cuenta detalladamente en las
descripciones proporcionadas por la escala MM.
Los tipos de edificaciones que se considerarán en este análisis y que son comunes
en Costa Rica se clasifican de la manera que se muestra en el cuadro 1. El círculo
corresponde a la categoría predominante y las líneas a posibles categorías que puede
asumir cada sistema estructural. Van de la A, que corresponde a sistemas que se
comportan muy bien ante sismos, hasta la F, cuyo comportamiento se considera como
muy deficiente.
Obsérvese que son las estructuras tipo F las más vulnerables ya que están
formadas por materiales de desecho, tales como: cartón, plástico, madera en mal estado,
adobe muy antiguo, o bien construidas antes de la existencia de los códigos de diseño.
Por el contrario, algunas estructuras de acero, concreto reforzado y mampostería son las
que han mostrado un mejor comportamiento ante sismos (estructuras tipo A).
Considerando lo anterior, se procedió a revisar todo el banco de fotografías
disponibles en el LIS sobre daños producidos por terremotos, para evidenciar otros
posibles efectos que frecuentemente se observan en las estructuras una vez ocurrido el
sismo.
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Cuadro 1. Clasificación de las estructuras para Costa Rica, tomando en cuenta los sistemas
constructivos que predominan
Clasificaciones adaptadas para Costa Rica
Desecho
Estructuras en adobe
Prefabricado Acero
Madera
Concreto
Reforzado
Mamposteria
Estructuras en desecho
Adobe
Descripción de la estructura
F
E
Tipo
D C
B
A
Roca Masiva (Canto Rodado)
Mampostería sin refuerzo
Mampostería confinada o con refuerzo integral
Estructuras a base de marcos en RC
Estructuras a base de muros en RC
Estructuras en madera
Pilotes de madera sin arriostrar
Pilotes de madera arriostrados
Estructuras en acero
Estructuras a base de marcos prefabricados
Prefabricado total (vivienda)
vulnerabilidad base
casos excepcionales
rango probable
4.2 Definición de niveles de daño y revisión del archivo fotográfico
La mayoría de las escalas de intensidad antiguas trataban el daño en estructuras
de una manera muy limitada, ya que los sistemas constructivos que predominaban eran
muy pocos, por lo que el daño de ellos era descrito de una forma muy simplificada. En la
actualidad, al existir una gran cantidad de sistemas constructivos vigentes cuyo
comportamiento estructural ante sismos suele ser muy distinto, se hace necesario definir
relaciones entre el daño observado y la intensidad asociada en ese sitio, lográndose
incorporar estos nuevos criterios para la determinación de la intensidad.
Al considerar el daño en estructuras, es fundamental determinar si éste es
estructural (en elementos esenciales para que la estructura se mantenga en pie, por
ejemplo: vigas, columnas, algunos muros), o bien, en elementos no estructurales, que son
aquellos que si fallan, la estructura puede seguir en pie (ej. paredes de cerramiento,
cielorrasos, puertas, ventanas, etc.).
Tomando como base la escala de intensidad europea (EMS-98), en la cuál se
hace referencia al grado de daño que pueden presentar las estructuras, se elaboró la
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siguiente descripción para cada grado, mostrada en el cuadro 2. Para esto se
consideraron además las observaciones hechas a partir del archivo fotográfico que
mantiene el LIS.
Cuadro 2. Niveles de daño posibles en estructuras, basados en la escala EMS-98, en el
archivo fotográfico del LIS y en la mayoría de sistemas constructivos existentes en el país.
Grado 1: Plenamente operativo
No existe daño estructural, y existe muy poco daño no estructural
Caída de fragmentos muy pequeños de mortero.
Grietas finas en repello de miembros de marcos o en la base de las paredes.
Grietas finas en paredes y divisiones.
Grado 2: Desempeño operativo
Poco daño estructural, y daño no estructural moderado
Grietas finas en muchas paredes.
Caída de piezas medianas de repello frágil.
Caída o desplazamiento de paneles de cielos colgantes.
Grietas en miembros de marcos y en muros estructurales.
Grietas en divisiones, caída de cubiertas.
Caída de mortero de juntas.
Grado 3: Seguridad de vidas
Daño estructural moderado, severo daño no estructural
Grietas grandes y largas en la mayor parte de las paredes.
Desprendimiento de tejas.
Fractura de chimeneas en la línea de techo.
Fallas generales y en ocasiones colapso de cielos rasos
Falla individual de elementos no estructurales (divisiones, cerramientos)
Grietas en columnas, en uniones viga-columna, en la base de los marcos y en juntas
de muros.
Desprendimiento de piezas grandes de repello y de concreto.
Deformaciones en las varillas de refuerzo.
Caída de tapicheles en mampostería sin refuerzo.
Evidencias de falla por columna corta.
Grado 4: Colapso cercano
Daño estructural severo, daño no estructural muy severo
Falla severa de paredes.
Falla parcial de techos y pisos.
Grandes grietas en elementos estructurales con daños en el concreto por compresión y
rotura de armaduras.
Ladeo de columnas
Colapso de algunas columnas o del nivel superior.
Daños por columna corta (con falla en las paredes)
Grado 5: Colapso
Daño estructural muy severo
Colapso total o de secciones (alas) de edificios.
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Es importante indicar que todas las estructuras no son igualmente vulnerables.
Una forma de entender este concepto es que, al comparar los daños sufridos por dos
estructuras ubicadas una a la par de la otra que son sometidas a la misma sacudida
sísmica pero construidas con diferentes sistemas o materiales, la que presenta mayor
vulnerabilidad es aquella que sufrió mayores daños.
Hay varios aspectos que afectan significativamente la vulnerabilidad de una
estructura, entre ellos:
- La calidad de los materiales y de la mano de obra: entre más control se tiene en estos
aspectos, la estructura es menos vulnerable.
- El mantenimiento y estado de preservación: sobretodo es un aspecto importante en
estructuras antiguas, que ya hayan superado su vida útil.
- La existencia de códigos de diseño: se ha observado un evidente mejor comportamiento
de edificaciones diseñadas bajo normas sísmicas, respecto a las que no han seguido
algún código de diseño.
- El tipo de sistema constructivo: hay sistemas que muestran un mejor comportamiento
ante sismos respecto a otros.
Los aspectos anteriormente mencionados son difíciles de tomar en cuenta a la
hora de determinar la intensidad en un sitio. Sin embargo, deben ser considerados en una
encuesta cuando se evalúe el estado de la estructura dañada.
A continuación se muestran unas fotografías a modo ejemplo, que corresponden al
terremoto de Alajuela y al de Limón, que fueron utilizadas para redefinir las intensidades
debidas a estos sismos.
a) Fotografías de estructuras dañadas debido al terremoto de Alajuela (22/12/90). Corresponden a
grado de daño 3 (foto izquierda) y grado 5 ( foto derecha)
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b) Fotografías de estructuras dañadas debido al terremoto de Limón (22/04/91). Corresponden a la
modalidad de daños en líneas del tren (intensidad X) y licuación del terreno (intensidad IX-X)
Figura 1. Algunas fotografías utilizadas en la redefinición de la escala Mercalli Modificada y
en el replanteo de los mapas de isosistas.
4.3 Readecuación de la escala MM a partir de datos locales
En el caso específico de esta investigación, interesa analizar los sensores
correspondientes a edificaciones, ya que los datos que se han obtenido en el LIS en más
de 15 años son registros fotográficos de estructuras dañadas en forma leve o severa.
Debido a que los daños no estructurales y estructurales solamente se observan para
intensidades intermedias y altas, es en estos grados en los que se va a centrar la
atención.
En vista de que la escala MM es bastante escueta en lo que se refiere a
descripción de daños en estructuras, se tomó como base la escala Macrosísmica Europea
(EMS-98), la cuál aporta una descripción bastante detallada en lo referente a daños.
Debido a que los tipos estructurales descritos en esta escala y los utilizados en Costa
Rica son distintos, fue necesario establecer equivalencias tomando en cuenta los tipos
definidos por el Código Sísmico de Costa Rica 2002.
A continuación se muestra la escala MM preliminarmente adaptada, considerando
el sensor ”daños en estructuras” para mejorar la descripción de cada grado. Solamente se
describen los grados de V en adelante, ya que para grados inferiores no se espera
observar efectos en las estructuras. Se comparan con otros sensores para identificar la
severidad de cada nivel.
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Grado V
a) Sentido dentro del edificio por la mayoría y fuera por pocos. Pocos se asustan
y corren fuera. Muchas personas dormidas se despiertan. Animales pueden
alterarse un poco. Es posible determinar la dirección de las ondas.
b) Objetos colgantes oscilan considerablemente. Vajilla, vasos, puertas y
ventanas traquean fuertemente. Objetos livianos pueden desplazarse o
volcarse. Puertas y ventanas se pueden abrir o cerrar. Se quiebran ventanas
en pocos casos. Líquidos en recipientes bien llenos y abiertos pueden
derramarse. En pocos casos se pueden detener los relojes de péndulo.
c) Daño de grado 1 en pocos edificios de tipo F y/o E
d) En ciertos casos se modifica el caudal de los manantiales.
Grado VI
a) Sentido dentro de edificaciones por la mayoría y fuera por muchos. Pocos
pierden el balance. Muchos se asustan y corren fuera. Animales huyen de sus
establos.
b) Objetos pequeños de estabilidad media se caen. Los libros se caen de sus
estantes. Los muebles pesados se pueden mover. En pocas ocasiones se
quiebran platos o vasos. Campanas pequeñas de torres o campanarios
pueden sonar. Se quiebran ventanas en muchos casos.
c) Daño de grado 1 se mantiene para estructuras de tipo F o E, pocos de
tipo F o E sufren daño de grado 2, pocos de tipo D sufren de daño de
grado 1.
Grado VII
a) Sentido por todos (dentro y fuera). La mayoría se asusta y corren afuera. Se
tiene dificultad para mantener el balance. Es sentido por conductores de
vehículos en marcha.
b) Campanas grandes pueden sonar. Muebles livianos se mueven, y muebles
pesados pueden volcarse. Gran cantidad de objetos caen de las repisas. La
mayoría de las ventanas se quiebran
c) Muchos edificios de tipo F sufren daño de grado 3; pocos de grado 4.
Muchos edificios de tipo E sufren daño de grado 2; pocos de grado 3.
Pocos edificios de tipo D sostienen daño de grado 2. Pocos edificios de
tipo C sufren daño de grado 1.
d) Ondas grandes en embalses y depósitos de agua; y el agua se enturbia por
remoción del fango. En algunos casos, se producen deslizamientos en las
carreteras que transcurren sobre laderas con pendientes altas. Cambia el nivel
de agua de los pozos y el caudal de los manantiales. En algunos casos,
vuelven a fluir manantiales que estaban secos y se secan otros que fluían.
Grado VIII
a) Dificultad para conducir vehículos. Dificultad para mantenerse en pie incluso en
el exterior. Pueden verse ondas (durante el sismo) en terreno muy suave.
b) Muebles se vuelcan. Pueden caerse objetos como televisores, máquinas de
escribir, etc. Lápidas pueden moverse, torcerse o volcarse. Pocos postes se
ladean o caen
c) Muchos edificios de tipo F sufren daño de grado 4; pocos de grado 5.
Muchos edificios de tipo E sufren daño de grado 3; pocos de grado 4.
Muchos edificios de tipo D sufren daño de grado 2; pocos de grado 3.
Pocos edificios de tipo C sufren daño de grado 2. Estatuas, monumentos
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o postes se mueven o giran. Pueden caerse chimeneas de fábricas y
tanques elevados.
d) Pequeños deslizamientos en las laderas de los barrancos y terraplenes con
pendientes pronunciadas. Grietas en el suelo de varios centímetros de ancho
en terrenos húmedos. Se enturbia el agua de los lagos. Aparecen nuevos
manantiales. Vuelven a tener agua pozos secos y se pueden secar pozos
existentes. En muchos casos cambia el caudal y el nivel de agua en los
manantiales y pozos.
Grado IX
a) Pánico general. La gente puede caer forzadamente. Se ven ondas en terreno
suave (durante el sismo).
b) Daños considerables en mobiliario. Muchos postes ladeados o caídos
c) Muchos edificios de tipo F sostienen daño de grado 5. Muchos edificios
de tipo E sufren daño de grado 4; pocos de grado 5. Muchos edificios de
tipo D sufren daño de grado 3; pocos de grado 4. Muchos edificios de
tipo C sufren daño de grado 2; pocos de grado 3. Pocos edificios de tipo
C sostienen daño de grado 2. Muchos monumentos, y postes se caen o
tuercen. Daños considerables en depósitos de líquidos. Ruptura parcial
de tuberías subterráneas. En pocos casos se deforman los rieles de
ferrocarriles ligeramente, y carreteras quedan fuera de servicio.
d) Se observa con frecuencia que se producen extrusiones de agua, arena y
fango en los terrenos saturados (evidencias de liquefacción). Se abren grietas
en el terreno de hasta 10 centímetros de ancho y de más de 10 centímetros en
las laderas y en las márgenes de los ríos. Aparecen además, numerosas
grietas pequeñas en el suelo. Desprendimientos de rocas y aludes. Muchos
deslizamientos de tierras. Grandes olas en lagos y embalses. Se renuevan
pozos secos y se secan otros existentes
Grado X
c) La mayoría de los edificios de tipo F y E sufren daño de grado 5. Muchos
edificios de tipo D sufren daño de grado 4; pocos de grado 5. Muchos
edificios de tipo C sufren daño de grado 3; pocos de grado 4. Muchos
edificios de tipo B sufren daño de grado 2; pocos de grado 3. Pocos
edificios de tipo A sufren daño de grado 2. Daños severos en represas y
puentes. Rieles de ferrocarril deformados severamente. Grandes
ondulaciones en el pavimento.
d) Deslizamientos de tierra, desbordamiento de ríos, lagos y embalses. Gran
cantidad de evidencias de liquefacción. Grietas en el suelo de algunos
decímetros de ancho que pueden llegar a un metro. Se producen anchas
grietas paralelas a los cursos de los ríos. Deslizamientos de tierras sueltas en
las laderas con fuertes pendientes. Desplazamientos de arenas y fangos en las
zonas litorales. Cambio del nivel de agua en los pozos. Se forman nuevos
lagos.
Grado XI
c) La mayoría de los edificios de tipo E sostienen daño de grado 5.
mayoría de los edificios de tipo D sufren daño de grado 4; muchos
grado 5. Muchos edificios de tipo C sufren daño de grado 4; pocos
grado 5. Muchos edificios de tipo B sufren daño de grado 3; pocos
grado 4. Muchos edificios de tipo A sufren daño de grado 2; pocos
La
de
de
de
de
13
grado 3. Rieles de ferrocarriles deformados longitudinalmente. Ruptura
de tuberías enterradas que quedan fuera de servicio. Daños muy severos
y colapso en puentes y represas.
d) El terreno queda considerablemente deformado tanto por desplazamientos de
terrenos y caídas de rocas. Se puede observar ruptura superficial de las fallas.
Gran cantidad de evidencias de liquefacción.
Grado XII
(El sismo alcanza el máximo de efectos concebible)
c) Todos los edificios de tipo de tipo F, E y prácticamente todos los de tipo
D son destruidos. La mayoría de los de tipo C, B y A son destruidos.
d) La topografía cambia. Grandes grietas en el terreno con importantes
desplazamientos horizontales y verticales. Caída de rocas y hundimientos en
los escarpes de los valles, producidas en vastas extensiones. Se cierran valles
y se transforman en lagos. Aparecen cascadas y se desvían los ríos.
4.4 Replanteo de los mapas de intensidad
Considerando los terremotos de: Cóbano (25/03/90), Alajuela (22/12/90) y Limón
(22/04/91) y el replanteo de la escala de intensidad presentada en el apartado anterior, se
presentan mapas de isosistas, que se definen como líneas que encierran áreas de igual
intensidad. Para la realización de estos mapas es necesario llevar a cabo encuestas e
inspecciones de campo para poder determinar las intensidades en las diferentes
localidades en el área afectada por el sismo. También es de utilidad aprovechar la
información brindada por los medios de prensa y por fotografías disponibles, tomadas a
horas o a pocos días después de la ocurrencia del sismo.
El dibujo de las isosistas no es siempre directo ya que los valores de intensidad
pueden estar mezclados, por lo que al definir las áreas de igual intensidad, debe
considerarse la que resulte predominante. Es importante recordar que el replanteo de las
escalas se hizo para valores de V en adelante, que corresponde a efectos evidentes en
obras civiles.
En las figuras 2, 3 y 4 se pueden observar importantes diferencias entre los mapas
obtenidos a partir de las intensidades reportadas a raíz de los terremotos de Cóbano,
Alajuela y Limón por la Red Sismológica Nacional y los obtenidos a través de esta
investigación, en la que se ha incluido los efectos en estructuras como un parámetro
descrito en forma más detallada.
A continuación se señalan las diferencias más significativas.
-
Comparación para Cóbano (figura 2): en ambos mapas se observa una
intensidad máxima de VIII, pero en el propuesto por la Red Sismológica Nacional
(RSN) se aprecian en círculos como “islas” al final de la Península de Nicoya,
mientras que en el mapa propuesto por este Laboratorio (LIS) las zonas con esa
intensidad son más grandes. Esto se puede deber a que por parte del LIS se hizo
una mejor identificación de las estructuras dañadas según el archivo fotográfico
existente, por lo tanto hubo una mejor asignación de este grado de intensidad. En
el Valle Central ambos estudios asignan un mismo valor de intensidad: VI. En el
mapa de la RSN la intensidad IV abarca un área mayor, sobretodo en la región
Caribe. Asimismo, San Carlos muestra una intensidad un grado mayor que la que
propone el LIS.
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Comparación para Alajuela (figura 3): en este caso, las isosistas tienen formas
más circulares y concéntricas en el mapa de la RSN y en el que propone el LIS estas
áreas son más bien elípticas, con un alargamiento en dirección norte-sur. En ambos
casos la intensidad máxima es de VIII pero en el de la RSN se observan isosistas en
forma de islas, tanto en la ciudad de Alajuela como en la zona epicentral, mientras que
según el LIS el área que encierra la intensidad máxima es más grande y equivale a la
intensidad VII del mapa de la RSN. En ambos casos la intensidad del Valle Central es de
VI y la intensidad mínima es de II, en las zonas fronterizas del país con Panamá y
Nicaragua.
- Comparación para Limón (figura 4): según el replanteo de las escalas y la
evidencia encontrada, el sismo de Limón produjo intensidades de X (específicamente
evidenciada por rieles de ferrocarril retorcidos, tal y como se vio en las fotos de la figura
1), en las cercanías del Valle de la Estrella. Volviendo a figura 4, se observa que al
comparar los dos mapas, las intensidades varían en un grado: el propuesto por la RSN va
de IV a IX y el propuesto en este proyecto de IV a X. Además, el de la RSN muestra las
áreas como círculos más o menos concéntricos respecto a la zona epicentral, mientras
que el presente estudio muestra estas áreas en forma de franjas más verticales hacia el
centro del país, lo que implica que se estimaron valores de intensidad más altos para las
regiones Pacífico Sur y Pacífico Central al considerar los efectos en las estructuras. En
cuanto a semejanzas, el Valle Central presenta el mismo valor de intensidad en ambos
mapas, que es igual a VI.
11.00
IV
IV
IV
IV
10.50
V
V
IV
VI
10.00
VII
VII VII
VII
VIII
9.50
VI
VI
VIII
IV
VI
V
VII
V
VII
IV
9.00
8.50
Escala de intensidad
IV
V
VI
IV
IV
VII
VIII
-84.50
-84.00
VIII
VII
VI
V
IV
8
7
6
5
4
-85.50
-85.00
a)
-83.50
-83.00
b)
Figura 2. Comparación entre mapas de intensidad obtenidos para el sismo de Cóbano,
según: a) esta investigación y b) Red Sismológica Nacional (RSN)
15
11.00
II
II
III
III
10.50
IV
V
III
VI VIIVII
VIIIVI
VII VIII
VIII VII VI
10.00
II
VV
IV
III
VIII
VII
VI
V
9.50
II
IV
9.00
8
7
6
5
8.50
IV
III
II
III
Escala de intensidad
II
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
4
3
2
-85.50
-85.00
-84.50
-84.00
-83.50
-83.00
a)
b)
Figura 3. Comparación entre mapas de intensidad obtenidos para el sismo de Alajuela,
según: a) esta investigación y b) Red Sismológica Nacional (RSN)
11.00
IV
IV
10.50
IV
V
VIII
10.00
VIVI
VI
VI
VIVI VI
VI
VI
IV
IXIX
IX
VII
VII
VIII
9.50
IX
IX XX
X X
X IX
X
IX
IX
IX
VII
X
IX
VIII
VII
VI
V
IV
10
9
VII
9.00
8
7
8.50
VII
Escala de intensidad
6
VI
VI
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
5
4
-85.50
-85.00
-84.50
-84.00
a)
-83.50
-83.00
b)
Figura 4. Comparación entre mapas de intensidad obtenidos para el sismo de Limón, según:
a) esta investigación y b) Red Sismológica Nacional (RSN)
16
4.5 Correlaciones sugeridas
Las figuras 5 a), b) y c) muestra los mapas de intensidades replanteados para los
tres sismos en estudio, superpuestos a las líneas de isoaceleraciones interpoladas a partir
de valores registrados en distintas estaciones. Se observa que para cada grado de
intensidad existe un rango de aceleraciones, por ejemplo, en el caso del sismo de Limón,
para intensidad VII los valores de aceleración varían en un rango de 0,1g a 0,25g, lo que
era de esperarse ya que de acuerdo con estudios previos, no existe una relación uno a
uno entre cada valor de aceleración y uno específico de intensidad.
La figura 6 ejemplifica esta afirmación, y en ella se muestra una curva (línea recta
en gráfico logarítmico-lineal), que permite correlacionar ambas variables. Obsérvese que
para las intensidades VI a IX hay un rango de valores para el PGA asociado equivalente.
Sin embargo, al trasladarlo a escala lineal este rango realmente aumenta con la
intensidad. Por ejemplo, para la intensidad VI los posibles valores de PGA van de 0,08 g a
0,25 g, mientras que para intensidad IX, el rango va de 0,2 g a 0,55 g.
La ecuación que se obtuvo como línea de mejor ajuste entre el PGA y la intensidad
es:
log(a ) = 0.1795 ⋅ I − 2.0866
Donde:
a:
Aceleración pico en g.
I:
Intensidad MM adaptada
Esta misma ecuación se graficó para compararla con otras estimaciones hechas
por autores de otras partes del mundo, y se obtuvo el gráfico de la figura 7.
En él se observa que hasta una intensidad de VI, la relación propuesta en este
estudio estima valores de PGA mayores respecto a las demás relaciones. Justo para el
valor de VI se predice un valor de PGA muy semejante a cualquiera de las demás
ecuaciones y para intensidades mayores, con la ecuación local se obtienen valores
inferiores que las demás. Lo anterior se debe probablemente a la falta de valores de
aceleraciones altas registradas en este país, ya que el máximo valor es de apenas 0,46 g
y corresponde al terremoto de Alajuela.
Por lo tanto, será necesario revisar la ecuación planteada en caso de que ocurra
un sismo que genere PGA altos, que además tendrá probablemente asociadas
intensidades altas también.
17
a)
b)
11.00
10.50
10.00
Escala de intensidad
9.50
X
IX
VIII IV
VII
VI
V
IV
10
9
9.00
V
VI
VII
VIII
IX
8
7
8.50
6
5
4
-85.50
-85.00
-84.50
-84.00
-83.50
-83.00
c)
Figura 5. Mapas donde se superponen las isosistas con las isoaceleraciones,
obtenidas a partir de la interpolación entre valores de aceleraciones registradas
para los sismos de a) Cubano, b) Alajuela y c) Limón
18
X
Aceleración (g)
1.00
0.10
0.01
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Intensidad
Cóbano
Alajuela
Limon
Figura 6. Correlación obtenida entre la aceleración (PGA) y la intensidad a
partir de la escalla replanteada
100
10
Aceleración (g)
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Intensidad
Gutenberg y Richter
Ambreasseys
Trifunac y Brady
Sauter
Figura 7. Comparación entre la correlación obtenida (línea azul) y las
propuestas por otros autores
19
5. Conclusiones
En el presente estudio se logró correlacionar en forma preliminar el daño
estructural observado y la aceleración pico del terreno, con los niveles de intensidad de la
escala Mercalli Modificada.
La relación entre daño estructural y la intensidad se analizó al revisar la
documentación fotográfica disponible en el LIS, referente a daños en estructuras debidos
a sismos fuertes ocurridos en el país durante la década pasada. Se revisaron
específicamente los sismos de Cóbano, Alajuela y Limón.
Al considerarse los daños en estructuras como sensor determinante a la hora de
asignar un valor de intensidad, el replanteo de esta escala se llevó a cabo tomando en
cuenta la Macrosísmica Europea (EMS-98), debido a que en ella sí hay una descripción
detallada acerca de los niveles de daño para cada tipo estructural, a diferencia de la
escala comúnmente utilizada en Costa Rica, la Mercalli Modificada. Con base en esto, se
incorporaron descripciones adaptadas a la escala vigente en Costa Rica, tomando en
cuenta además criterios de clasificación del Código Sísmico de Costa Rica 2002.
Una vez llevadas a cabo las etapas anteriores, se replantearon algunos mapas de
intensidad disponibles, específicamente se trabajó en los correspondientes a los tres
sismos mencionados, que son de los que se tiene una mayor cantidad de fotografías
disponibles.
Se observaron diferencias significativas, como la aparición del grado de intensidad
X en las cercanías de la zona epicentral para el terremoto de Limón, así como formas de
isosistas distintas. Por ejemplo, en el caso de Alajuela el mapa propuesto por la RSN
muestra áreas circulares y concéntricas, mientras que el propuesto por el LIS las presenta
más bien alargadas en dirección norte-sur.
En las zonas de intensidad máxima, el presente estudio muestra áreas más
grandes que el de la RSN, aún cuando los valores son los mismos.
Respecto al Valle Central, en los tres casos analizados se observan las mismas
intensidades entre los mapas que se compararon.
Finalmente, se obtuvo una correlación entre las aceleraciones pico (PGA) y las
intensidades, cuya ecuación de mejor ajuste resultó ser:
log(a ) = 0.1795 ⋅ I − 2.0866
Al comparar el gráfico que se obtiene con esta ecuación respecto a otros
propuestos por distintos autores a nivel mundial, se predicen valores semejantes para
intensidad VI. Sin embargo, el presente estudio sobreestima los valores de aceleración
para intensidades inferiores.
Será importante en el futuro, revisar y recalcular esta ecuación sobretodo cuando
se registren sismos con valores de aceleración altos (superiores que 0,5 g), que es de lo
que carece la base de datos del Laboratorio de Ingeniería Sísmica actualmente.
6. Referencias bibliográficas
Bolt. B.A. (1981) Terremotos. Barcelona, España; Editorial Reverté.
FEMA. (1988) Rapid Visual Screening of buildings for Potential Seismic Hazards
(Boletín ATC-21) Redwood City California; FEMA editorial.
20
Krinitzky. E, Chang. F
(1987) Parameters for specifying intensity related
earthquake ground motions. Washington DC, Army Corps editorial.
Sauter. F. (1989). Introducción a la Sismología Costa Rica; Editorial Tecnológica
de Costa Rica.
Cruz. M, Infante. E, Schmidt. V. (1991) ”Evaluación del potencial daño de sismos
recientes en Costa Rica” en Memorias Congreso de Ingeniería Sísmica. Costa
Rica.
Schmidt. V, Climent. A, Dale. A, Bungum. H (1998). Relaciones espectrales de
atenuación para América Central y para Costa Rica. Costa Rica.
http://www.snet.gob.sv/Geologia/Sismologia/mercalli.htm
http://www.gfz-potsdam.de/pb5/pb53/projekt/ems/index.html
http://www.gsrg.nmh.ac.uk/hazard/histint.htm
http://geology.about.com/library/bl/blmagtable.htm
http://www.ugr.es/~iag/divulgacion.html
http://www.proteccioncivil.org/vademecum/vdm009.htm
http://www.quakes.bgs.ac.uk
http://www.serviziosismico.it
21